Robotik
Durchbruch bei 3D-Druck-Technik: Roboter werden in einem Schritt gebaut
Ein Team von Ingenieuren an der UCLA hat eine neue 3D-Druck-Technik und eine Designstrategie entwickelt, die es ermöglicht, Roboter in einem einzigen Schritt zu bauen.
Die neue Studie, die zeigt, wie die Roboter konstruiert und wie sie gehen, manövrieren und springen können, wurde in Science veröffentlicht.
Durchbruch bei 3D-Druck-Prozess
Die neue Technik umfasst einen 3D-Druck-Prozess für konstruierte aktive Materialien mit mehreren Funktionen, oder “Metamaterialien”. Sie ermöglicht die Herstellung der gesamten mechanischen und elektronischen Systeme, die für den Betrieb eines Roboters erforderlich sind, auf einmal. Nachdem der “Meta-Bot” 3D-gedruckt wurde, kann er Bewegungen, Antrieb, Sensing und Entscheidungsfindung ausführen.
Die gedruckten Materialien bestehen aus einem internen Netzwerk von sensorischen, beweglichen und strukturellen Elementen, die sich selbst bewegen, nachdem sie programmiert wurden. Da dieses interne Netzwerk an einem Ort zusammengebracht wird, muss nur noch ein einzelnes externes Komponenten hergestellt werden – der kleine Akku, der den Roboter antreibt.
Xiaoyu (Rayne) Zheng ist der Hauptautor der Studie und Associate Professor für Bau- und Umwelttechnik sowie Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der UCLA Samueli School of Engineering.
“Wir stellen uns vor, dass diese Design- und Druckmethodik von intelligenten robotischen Materialien dazu beitragen wird, eine Klasse von autonomen Materialien zu realisieren, die den aktuellen komplexen Montageprozess für die Herstellung eines Roboters ersetzen könnten”, sagte Zheng. “Mit komplexen Bewegungen, mehreren Sensormodi und programmierbaren Entscheidungsfähigkeiten, die alle eng integriert sind, ist es ähnlich wie ein biologisches System mit Nerven, Knochen und Sehnen, die zusammenarbeiten, um kontrollierte Bewegungen auszuführen.”
Potentielle Anwendungen
Das Team integrierte einen onboard-Akku und einen Controller, um vollständig autonome 3D-gedruckte Roboter herzustellen. Jeder der Roboter ist so groß wie ein Fingernagel, und laut Zheng könnte diese neue Methode zu neuen Designs für biomedizinische Roboter führen. Ein solcher biomedizinischer Roboter könnte ein Schwimmroboter sein, der autonom in der Nähe von Blutgefäßen navigiert, um Medikamente an Zielorten im Körper abzuliefern.
Eine weitere Anwendung der 3D-gedruckten Roboter ist, sie in gefährliche Umgebungen zu senden, wie ein eingestürztes Gebäude, wo eine Schwarm von ihnen in engen Räumen zugreifen kann. Diese Meta-Bots könnten dann die Bedrohungsstufe bewerten und bei Rettungsarbeiten helfen.
Dies ist ein bedeutender Durchbruch im Bereich der Robotik, da die meisten der aktuellen Roboter eine Reihe von komplexen Fertigungsschritten erfordern, um sie zu konstruieren. Dieser Prozess resultiert in schwereren, massiveren und schwächeren Robotern.
Um die neue Methode zu entwickeln, verließ sich das Team auf eine Klasse von komplexen Gittermaterialien, die ihre Form und Richtung in Reaktion auf ein elektrisches Feld ändern. Sie können auch eine elektrische Ladung erzeugen, als Ergebnis von physikalischen Kräften.
Entwicklung neuer robotischer Materialien
Die von dem Team entwickelten robotischen Materialien sind nur so groß wie ein Penny und bestehen aus strukturellen Elementen, die ihnen helfen, sich zu biegen, zu drehen, zu erweitern, zu kontrahieren oder zu rotieren, mit hoher Geschwindigkeit.
Darüber hinaus veröffentlichte das Team eine Methodik, die verwendet werden kann, um die robotischen Materialien zu entwerfen, sodass Benutzer ihre eigenen Modelle erstellen können.
Hauchen Cui ist der Hauptautor der Studie und ein UCLA-Postdoktorand im Additive Manufacturing and Metamaterials Lab von Zheng.
“Dies ermöglicht es, aktuatorische Elemente präzise im gesamten Roboter anzuordnen, für schnelle, komplexe und ausgedehnte Bewegungen auf verschiedenen Arten von Gelände”, sagte Cui. “Mit dem zweifachen piezoelektrischen Effekt können die robotischen Materialien auch ihre Verformungen selbst erkennen, Hindernisse über Echo- und Ultraschall-Emissionen erkennen und auf externe Reize über eine Rückkopplungsschleife reagieren, die bestimmt, wie die Roboter sich bewegen, wie schnell sie sich bewegen und auf welches Ziel sie sich bewegen.”
Das Team verwendete die Methode, um drei verschiedene Meta-Bots mit unterschiedlichen Fähigkeiten zu bauen:
- Meta-Bot, der um S-förmige Ecken und zufällig platzierte Hindernisse navigiert
- Meta-Bot, der auf einen Kontaktimpuls reagiert und entkommt
- Meta-Bot, der über raues Gelände geht und kleine Sprünge macht
Diese neue 3D-Druck-Technik wird eine wichtige Rolle im Bereich der Robotik spielen, indem sie die Konstruktion solcher Roboter wesentlich effizienter macht.
Diese bahnbrechende Forschung umfasste auch Autoren wie Desheng Yao, Ryan Hensleigh, Zhenpeng Xu und Haotian Lu, die Graduate-Studenten sind; Ariel Calderon, ein Postdoktorand; Zhen Wang, Entwicklungstechnik-Associate; Sheyda Davaria, ein Forschungsassistent an der Virginia Tech; Patrick Mercier, Associate Professor für Elektrotechnik und Informatik an der UC San Diego; und Pablo Tarazaga, Professor für Maschinenbau an der Texas A&M University.
